CÁC TÍNH CHẤT NHIỆT và điện từ của vật LIỆU THỰC PHẨM

BỘ
BỘ MÔN
MÔN CÔNG
CÔNG NGHỆ
NGHỆ HÓA
HÓA HỌC
HỌC

CÁC TÍNH CHẤT NHIỆT VÀ ĐIỆN TỪ CỦA
VẬT LIỆU THỰC PHẨM

GV: Đào Ngọc Duy


1. CÁC TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU
2. TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ VÀ TÍNH CHẤT QUANG HỌC


1. CÁC TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU

• Các quá trình chế biến thực phẩm có liên quan đến quá trình truyền
•
•
•
•

nhiệt.
Vấn đề là tính toán lượng nhiệt cần truyền → giảm chi phí năng lượng.
Độ dẫn nhiệt
Nhiệt dung riêng
Ẩn nhiệt

DẪN NHIỆT & ĐỊNH LUẬT FOURIER

• Dẫn nhiệt là sự truyền năng lượng gây nên bởi sự tương tác vật lý giữa
•

các phân tử, nguyên tử của một chất khi có sự khác biệt nhiệt độ.
Định luật Fourier

 


HỆ SỐ DẪN NHIỆT

•

Hệ số dẫn nhiệt k là tính chất nhiệt vật lý của môi trường dẫn đại diện cho tốc độ
truyền nhiệt trên một đơn vị diện tích ứng với gradient nhiệt độ là 1oC/m. Đơn vị
của k là W/moC


HỆ SỐ DẪN NHIỆT
Kim cương : 900 ÷ 2300
Kim loại : 7,78 ÷ 420 (bạc 420, đồng 386,
vàng 316, nhôm 236)

Hợp kim : 11,6 ÷ 164
Thực phẩm : 0.02 ÷ 2

Vật liệu xây dựng : 0,02 ÷ 3,0
Chất khí : 0,06 ÷ 0,6
Chất lỏng : 0,07 ÷ 0,7
Vật liệu cách nhiệt : 0,02 ÷ 0,1
Vật liệu siêu cách nhiệt : ≈ 0,003


Bảng 3.1 : Hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ thường của vật liệu khác thực phẩm
Vật liệu

o
k (W/m C)

Vật liệu

o
k (W/m C)

Gạch xây

0,69

Bêtông trộn đá

1,37

Cát khô

0,582

Cát ẩm

1,13

0,055

Ván ép

0,109

Sợi thủy tinh

0,035

Mạt cưa

0,059

Len

0,052

Tóc

0,036

Vải côtông

0,06

Đất nhẹ, khô

0,346

Không khí

0,026

Nước

0,556

Cây bóng nước

≈

Các loại sắt thép

55


Bảng 3.2 : Hệ số dẫn nhiệt vài thực phẩm ở nhiệt độ thường
Vật liệu

o
k (W/m C)

Vật liệu

o

k (W/m C)

Đào sấy đông khô

0.0418

Sữa bột

0.054

Nước cam 20% chất rắn

0.320

Mực khô

0.077

o
Nước cà chua 44≈ Brix

0.460

Glycerol

0.135

Dâu

0.462

Tinh bột

0.15

Chuối

0.481

Dầu bắp

0.17

Táo đỏ

0.513

Cá tươi

0.44-0.46

Khoai tây

0.533

Thịt bò tươi

0.491

Dứa

0.549

Tôm

0.490

Cà rốt

0.571

Mực tươi

0.500

Cam lột vỏ

0.580

Thịt bò đông lạnh

1.37

Đào tươi

0.581

Cá đông lạnh

1.2-1.6

CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỆ SỐ DẪN NHIỆT

Hệ số dẫn nhiệt thực phẩm: phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ & ẩm độ
Hệ số dẫn nhiệt thay đổi theo nhiệt độ.
Kim loại dẫn nhiệt tốt hơn điện môi
K < 0,1 W/m0C → vật liệu cách nhiệt
Vật liệu siêu dẫn: ở nhiệt độ thấp có hệ số dẫn nhiệt thật cao.


DỰ ĐOÁN HỆ SỐ DẪN NHIỆT THỰC PHẨM

1. Mô hình lý thuyết
 Mô hình nối tiếp và song song (3-4 và 3-5)
 Mô hình tích (3-6)
 Mô hình kết hợp (3-7)
 Các mô hình khác
• 2. Mô hình thực nghiệm
- k = a + bX + cT


ĐO HỆ SỐ DẪN NHIỆT

Có 3 phương pháp đo hệ số dẫn nhiệt vật liệu là kỹ thuật

trạng thái ổn định, kỹ thuật trạng thái gần ổn định, và kỹ
thuật trạng thái không ổn định, trong đó 2 phương pháp sau
được dùng để đo hệ số dẫn nhiệt thực phẩm.

ÁP DỤNG

Tính toán thời gian chế biến:
Ví dụ 3.2 : Hộp bơ hình khối dày 46.2mm có nhiệt độ ban đầu Ti = 4,4oC được cho vào
o
không khí nhiệt độ 23,9 C. Vỏ hộp chỉ mở nắp ở trên nên các mặt còn lại xem là cách nhiệt.
2
Như vậy chỉ có truyền nhiệt từ mặt trên xuống. Hệ số h = 8.52 W/m K. Tính nhiệt độ bề
mặt và ở độ sâu 46.2mm sau 5 giờ tiếp xúc. Trường hợp này nhiệt độ tại đáy hộp xem như
nhiệt độ tại tâm của bài toán tấm phẳng dày 2x46.2mm. Đặc tính vật lý của bơ: k =
0,197W/mK, Cp = 2300 J/kgK, khối lượng riêng 998 kg/m


NHIỆT DUNG RIÊNG

 

Nhiệt dung riêng là năng lượng cần thiết để nâng 1 đơn vị vật
o
chất lên 1 C. Gọi C là nhiệt dung riêng, m là khối lượng vật liệu,
Q là nhiệt lượng để vật liệu tăng từ nhiệt độ T1 lên T2:


Bảng 3.4 : Nhiệt dung riêng vài loại vật liệu
Vật liệu

o
Nhiệt độ, C

o
C (kJ/kg C)

Vật liệu, Xw

o
Nhiệt độ, C

o
C (kJ/kg C)

Nước

16

4,18

Táo, 84%

> TF

3,59

Nước đá

0

2,04

Táo, 84%

< TF

1,88

Hơi nước

100

2,05

Khoai tây, 78%

Không khí

-20 ÷ 27

1,00

Khoai tây, 78%

Đồng

20

0,38

Thịt cừu, 58%

Nhôm

20

0,89

Thịt cừu, 58%

> TF

Thép

20

0,46

Cá moruy

< TF

3,76

Ethyl. Glycol

40

2,21

Cá moruy

> TF

2,05

Ethyl alcohol

0

2,24

Sữa, 87,5%

< TF

3,89

18-50

2,43

Sữa, 87,5%

> TF

2,05

Oil, maize

20

1,73

Đậu nành, 8,7%

Oil, sunflower

20

1,93

Lúa mì, 10%

Glycerol

> TF
< TF

< TF
 

3,43
1,80
2,80
1,25

1,85
1,46 ÷ 1,80


DỰ DOÁN NHIỆT DUNG RIÊNG THỰC PHẨM

Trên nhiệt độ điểm đông
Phương trình có dạng là hàm của ẩm độ và nhiệt độ vật liệu

Dưới nhiệt độ điểm đông
Khi ở trạng thái đông lạnh, nhiệt dung riêng thực phẩm thay đổi nhiều so với trạng
thái bình thường. Có thể dùng số liệu enthalpy để đánh giá năng lượng thay cho nhiệt
dung riêng thực phẩm


ĐO NHIỆT DUNG RIÊNG

Nhiệt dung riêng thường được đo bằng các phương pháp trộn
lẫn, làm nguội, đoạn nhiệt, điện và quét nhiệt vi phân (DSC)


ẨN NHIỆT

Khái niệm: Lượng nhiệt phóng thích ra hay hấp thu vào tại một nhiệt
độ nào đó khi một đơn vị vật liệu biến đổi trạng thái gọi là ẩn nhiệt

Có ẩn nhiệt hóa hơi và ngưng tụ, ẩn nhiệt thăng hoa, ẩn nhiệt tan chảy
và ẩn nhiệt đông đặc


TÍNH ẨN NHIỆT

Ẩn nhiệt hóa hơi hay ngưng tụ:
Ẩn nhiệt hóa hơi của nước trong thực phẩm Hfg cao hơn ẩn nhiệt hóa hơi của nước
tự do hfg và thay đổi theo loại thực phẩm, ẩm độ Xd (tính theo thập phân) và nhiệt
độ bay hơi T (độ K)

Ẩn nhiệt đông đá hay tan chảy:
Ẩn nhiệt tan chảy (kJ/kg) của nước đá tự do h’fg và nước đá trong thực phẩm H’fg
tính theo các phương trình (3-26, Nakaide 1968) và (3-27, Riedel 1978)


2. TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ VÀ PHỔ QUANG HỌC


PHỔ ĐIỆN TỪ


PHỔ ĐIỆN TỪ

Phổ điện từ chia ra thành 3 vùng : Vùng tử ngoại (có bước sóng nhỏ), vùng ánh sáng khả kiến (bước sóng từ
400 – 700 nm và vùng hồng ngoại (bước sóng lớn hơn 700 nm)).

Năng lượng tử ngoại và năng lượng hồng ngoại là

hai dạng của sóng điện từ, có thể truyền đi trong không

gian, xuyên thấu trong thực phẩm và chuyển thành năng lượng nhiệt nung nóng thực phẩm

Ứng dụng
- ánh sáng khả kiến : đánh giá cảm quan
- vùng tử ngoại trở xuống : tia cực tím (vô trùng), chiếu xạ thực phẩm (bảo quản), tia X (chụp X quang), tia
bức xạ (xạ trị– điều trị ung thư, bướu cổ…)

- vùng hồng ngoại trở lên :
nhân tạo

ứng dụng cho quá trình sấy, dạng truyền thông tin như: rada, radio,TV, vệ tinh


Giữa năng lượng vi sóng và năng lượng hồng ngoại có những điểm
khác nhau
Năng lượng vi sóng

 -Bước sóng : dải hẹp khoảng f=2450 MHz và bước sóng
dài hơn hồng ngoại

 -Có khả năng đâm xuyên thực phẩm nên nó làm nóng
trong lòng thực phẩm nhanh chóng.



-Ứng dụng trong quá trình thanh trùng, nấu chín hoặc làm
nóng thực phẩm.

Năng lượng hồng ngoại

 -Bước sóng : lớn hơn 700 nm
 -Không có khả năng đâm xuyên thực phẩm mà chỉ làm
nóng bề mặt thực phẩm

 -Quá trình làm nóng phụ thuộc vào đặc trưng bề mặt của
thực phẩm, màu sắc của thực phẩm

 -Quá trình dẫn nhiệt vào trong phụ thuộc vào hệ số dẫn
nhiệt của thực phẩm (phụ thuộc vào lượng ẩm của thực

phẩm)

 -Quá trình làm nóng phụ thuộc vào hàm lượng ẩm của vật  -Áp dụng trong quá trình sấy, làm nóng bề mặt của thực
liệu, ẩm càng cao thì làm nóng càng nhanh.

phẩm, ít làm hư hỏng trong lòng thực phẩm


Nung nóng thực phẩm bằng lò vi sóng (lò viba), f= 2450 MHz
 - Phân tử nước gồm 1 nguyên tử oxy và 2 nguyên tử Hydro, do oxy có độ
âm điện lớn làm cho nước trở thành phân tử lưỡng cực.

 - Khi thực phẩm được đặt trong một trường điện tử thì các lưỡng cực
nước sẽ định hướng theo hướng của trường điện tử và khi trường điện tử
dao động nhanh thì các phân tử nước cũng bị dao động theo.

 - Do sự biến dạng của các cấu trúc phân tử gây nên khi nó sắp xếp định
hướng trở lại theo trường điện tử mà nó chuyển nănglượng vi sóng thành
nhiệt, trong quá trình đó nó cũng chịu ảnh hưởng bởi độ nhớt của thực
phẩm.


- Số lượng lưỡng cực và sự thay đổi của nó theo trường điện tử được xác định thông qua hằng số
điện môi của thực phẩm.

- Khi thực phẩm đặt trong một trường điện tử như vậy nó sẽ hấp thu sóng và chuyển thành nhiệt,
lượng nhiệt được hấp thu đó đựơc gọi là “lose factor” – hệ số tổn thất. Thực phẩm có độ ẩm càng
cao thì “lose factor” càng lớn do đó nó hấp thu nhiệt nhanh hơn.

Do cấu trúc thực phẩm không đồng nhất nên sự hấp thu năng lượng vi sóng
không đồng đều, do đó xảy ra sự dẫn nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có
nhiệt độ thấp.

- Thủy tinh và giấy và polymer có

hệ số “lose factor” rất thấp, năng lượng vi

sóng xuyên thấu rất dễ nên nó không bị đun nóng- Kim loại làm cho năng lượng
vi song bị phản xạ.